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    生物安全實驗室中ⅡB2型生物安全氣流控制

    2020-11-12

    生物安全實驗室中ⅡB2型生物安全氣流控制

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    生物安全柜是生物安全實驗室的重要設備之一,是保障實驗室生物安全的一級屏障。與ⅡA2型生物安全柜不同,ⅡB2型生物安全柜采用柜內單向流的全新風系統,對操作人員和樣品保護安全度更高,在BSL-3實驗室中得以廣泛應用[1]。

    目前,國家規范要求系統運行時應確保生物安全柜與實驗室送排風系統之間的壓力關系和必要的穩定性,并應在啟動、運行和關停過程中保持有序的壓力梯度[2]。由于高等級生物安全實驗室圍護結構嚴密性較高,而安全柜排風量較大,因此在實際應用過程中,安全柜的啟停以及排風機發生故障及自動切換,均會導致實驗室排風量的瞬時劇烈變化,如控制不當,會對其所在的核心工作間的壓力產生較大影響,甚至可能導致安全柜內空氣外溢以及實驗室出現短時正壓,從而形成人員及環境安全隱患。

    本文結合現行國家標準和實際檢測及設計經驗,對ⅡB2型生物安全柜在高級別生物安全實驗室的氣流控制模式進行研究探討。

    1 工作原理及常見設計參數

    1.1  ⅡB2型生物安全柜工作原理

    ⅡB2型生物安全柜工作原理如圖1所示。ⅡB2型生物安全柜正常運行時由室內進風。室內空氣自工作窗口和柜頂進風口進入生物安全柜腔體,過濾后經與安全柜出風口密閉連接的管道排至室外。目前國內排風接管的常規做法分為2類:

    1)安全柜排風經管道接入實驗室大排風系統,一并排出;

    2)安全柜排風接獨立排風機,單獨排至室外,與實驗室排風系統分設。

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    ▲圖1  ⅡB2型生物安全柜工作原理示意圖

    1.2  常見設計參數

    與通風系統相關的ⅡB2型生物安全柜設計參數主要包括安全柜排風量及其額定阻力。需要注意,在窗口高度不超過200 mm時窗口進風平均風速應不小于0.5 m/s[3]。如條件允許,應盡可能在設計階段就確定設備廠家,這樣安全柜排風量可根據廠家提供的額定風量,再考慮一定余量得出。安全柜額定阻力是系統排風機壓頭選型計算的主要參數之一,但往往被設計人員忽略,美國標準給出的最小建議值為375 Pa[4],國內常見設備廠家提供的數據為500~800 Pa不等。

    2 常見氣流控制模式研究

    筆者對已通過國家建筑工程質量監督檢驗中心檢測驗收的22個(A)BSL-3和BSL-4實驗室項目中的共計79臺ⅡB2型生物安全柜的氣流控制模式進行了統計分析,基本可將其劃分為3種控制模式:變送定排、定送變排和變送(雙穩態)變排。各項目中ⅡB2型生物安全柜情況見表1。

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     注:定—定風量控制;變—變風量控制;雙穩態—預設高態(安全柜開啟)和低態(安全柜關閉)兩種定風量模式切換控制;

    從表1可以看出,50%以上的項目采用了定送變排控制模式,而早期采用的變送(雙穩態)變排控制模式,送風在高態(安全柜開啟)或低態(安全柜關閉)時段內是恒定的,其控制核心理念依然是通過排風變風量(VAV)閥來調節房間壓力,實質上仍屬于定送變排控制模式。這也基本反映出目前定送變排控制模式為ⅡB2型生物安全柜的主流控制模式。

    2.1  變送定排模式

    該模式房間送風量可變,通過房間送風主管上的變風量閥進行控制;房間排風量恒定,排風主管設置定風量(CAV)閥;安全柜排風量恒定,排風管道設置定風量閥。系統原理如圖2所示。

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    SA 送風  EA 排風  ED 電動密閉閥

    ▲圖2  變送定排模式系統原理示意圖

    在核心工作間設壓力傳感器,根據房間壓力調節房間送風主管上的變風量閥,通過調節房間送風量來穩定房間壓力。安全柜啟閉時,送風主管上的變風量閥根據安全柜的啟閉調節開度,送風機根據設于系統送風總干管的壓力傳感器調節風機頻率,從而增加(開啟時)或降低(關閉時)房間送風量(與安全柜排風量相當),保證在工況轉換后房間的壓力平穩。

    安全柜開啟時,根據其窗口限位信號,啟動安全柜排風機組及其電動閥門,安全柜瞬時達到其額定排風量,此時房間排風量加大,絕對負壓值急劇升高;送風主管上的變風量閥根據房間壓力調節開度,增加房間送風量;隨著送風量的加大,系統逐漸恢復至原有壓力范圍。安全柜關閉時,以安全柜窗前玻璃門下拉封閉柜體為信號,安全柜排風機組及其電動閥門關閉,送風系統隨之進行反向操作。

    2.2  定送變排模式

    該模式房間送風量恒定,房間排風量可變。送風量恒定是為了保證核心工作間的送風量和換氣次數滿足設計和規范的要求,排風量可變是指排風采用變風量系統。為了維持房間壓差滿足規范要求,ⅡB2型生物安全柜的排風管采用定風量閥控制。房間排風管上的變風量閥根據房間的壓差要求來調節開度,消除ⅡB2型生物安全柜啟閉時對房間壓差產生的擾動,滿足核心工作間運行的壓差要求。系統原理如圖3所示。

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    ▲圖3  定送變排模式系統原理示意圖

    2.3  變送(雙穩態)變排模式

    該模式送風設定了高態(安全柜開啟)和低態(安全柜關閉)2種風量,通過房間送風主管上的雙穩態閥,保證在每一種工況下風量恒定。房間排風管設置變風量閥,根據房間的壓差要求來調節開度,消除ⅡB2型生物安全柜啟閉時對房間壓差產生的擾動,滿足核心工作間運行的壓差要求。系統原理如圖4所示。

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    CAV-T 雙穩態定風量閥

    ▲圖4  變送(雙穩態)變排模式系統原理示意圖

    從控制思路的角度講,該模式實質上仍屬于定送變排模式。只要送風風閥執行器選型合理、響應及時,根據實測結果來看也是可行的。

    3 常見問題

    從多個三級生物安全實驗室的實測結果來看,上述幾種控制模式均有成功和失敗案例,并無明顯相關性。主要原因在于該類實驗室均采用全新風系統,與回風系統不同,系統排風與送風是解耦的,因此送、排風是“定”還是“變”不是主要問題,而安全柜啟停時室內相應的變風量控制邏輯才是關鍵。在多項實際檢測中,出現較多的問題如下。

    3.1  排風量不足,安全柜無法正常啟動

    生物安全柜開啟時報警,排風量無法達到安全柜最低風量,設備無法正常開啟。如報警持續,則意味著安全柜排風量偏低,需要復核安全柜排風機選型或安全柜排風管路的阻力、閥門等情況。如華北地區某BSL-3實驗室,安全柜接獨立排風機,排風機銘牌全壓為1 000 Pa,但根據現場檢測,生物安全柜出口阻力已達800 Pa(安全柜額定阻力往往容易被設計人員忽視),高效過濾單元阻力200 Pa,管道長約150 m,考慮管道、閥門等的沿程和局部阻力,顯然風機壓頭已無法滿足系統要求,排風量無法達到額定值,導致設備無法開啟,最終以更換風機作為解決方案。

    如報警持續一段時間后停止,則說明系統總排風量能夠滿足要求,但在變風量控制模式上存在一定的時間誤差,導致開啟之初排風量不足,隨著系統慢慢穩定,排風量達到了設定值,這種情況需要現場調試送、排風閥執行機構的行程調節速度和響應時間,消除啟動過程中的報警環節。

    3.2 切換時出現壓力逆轉

    該類情況是實際工況轉換過程中出現最多的一種。其影響因素眾多,往往是多種環節互相作用導致的結果。當工況轉換過程某一時段房間送風量超過房間及安全柜排風量之和時,實驗室出現絕對壓力逆轉;當工況轉換過程中核心工作間負壓風量與其相鄰的緩沖間負壓風量不匹配時,會出現相對壓力逆轉。這2種逆轉,尤其是絕對壓力逆轉,大大增加了實驗室使用中的生物安全風險,均為檢測部門和中國合格評定國家認可委員會(CNAS)認可時的現場主要考察項目。各項目安全柜啟閉時工況轉換現場檢測的壓力逆轉情況見表2。

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    從表2可以看出,逾80%的實驗室工況轉換時存在不同程度的壓力逆轉情況,主要問題集中在送、排風閥的控制邏輯及其執行速度和響應時間。部分實驗室在現場調試無效后需要采取更換閥門等措施進行整改,個別實驗室項目甚至僅能將逆轉時間控制在1 min內,無法根本解決相對壓力的逆轉問題。

    3.3  切換時負壓過大

    過大的負壓對實驗室圍護結構的氣密性和穩定性提出了較大的挑戰,由于負壓過大,房間潔凈度難以保證;較大的壓力波動也致使房間圍護結構瞬時過度收縮膨脹,對目前主流的彩鋼板圍護結構而言極易產生破壞性后果。

    3.4 多臺安全柜切換時系統紊亂

    部分相對特殊的項目,在一間核心工作間內設置多臺ⅡB2型生物安全柜或一個系統內多個核心工作間均設有ⅡB2型生物安全柜,同時啟停多臺ⅡB2型生物安全柜時會瞬時出現巨大的風量變化,如果系統閥門切換不及時,往往容易產生房間壓差梯度紊亂。

    4 優化解決方案

    4.1  閥門的預設動作和快速響應

    不論何種控制模式,如在安全柜啟閉過程中出現送風量大于排風量的情況,則會出現壓力逆轉;如出現排風量遠大于送風量,則會出現房間瞬時絕對負壓值過大的情況。因此,送、排風閥在安全柜啟閉過程中的動作順序及執行速度對保證系統壓力的平穩過渡起到非常關鍵的作用。由表2可以看出,送風變化往往導致壓力逆轉,這是因為安全柜的啟閉本身已經對排風產生了較大影響,同時又伴隨著送風較大的波動,同一時刻送、排風均需控制。如控制不當,則更易出現送、排風瞬時不匹配的情況。通常,實驗室在整個工況轉換過程中需把握2個要點:任何時間房間必須處于負壓,即送風量小于排風量;安全柜僅有排風。因此,房間送、排風閥的控制邏輯應圍繞任何時間均保證房間送風滯后且小于排風展開。表3為根據現場檢測經驗給出的送、排風閥預設動作順序的優化策略建議。

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    表2同時對閥門響應不及時的情況做出了統計,可以看出閥門的響應速度對工況順利轉換有決定性作用。接近一半的項目由于閥門響應不及時而無法根除相對逆轉的問題,個別項目甚至由于無法解決絕對逆轉問題而更換快速閥門。目前國內常用的主流定、變風量控制閥為蝶閥和文丘里閥2種類型。蝶閥通常采用“測量—比對—執行”的閉環控制方式,響應時間平均為2~3 s左右;文丘里閥采用前饋控制方式,最快響應時間可在1 s以內(價格較高)。筆者認為,選擇何種類型閥門可在設計階段根據項目規模、投資、復雜程度和要求進行評估,但應選擇快速響應閥門,根據現場實測經驗來看,建議響應時間不要超過2 s。

    由于變風量控制多采用PID控制調節模式,送風量往往會圍繞排風量振蕩收斂,這意味著控制邏輯決定了某一時刻難免會出現送風量大于排風量的現象,因此在實測過程中多數情況下會出現瞬時壓力逆轉情況。在調試過程中,應通過設置合理的閥門動作順序和縮短閥門響應時間來保證核心工作間不出現絕對壓力逆轉,而核心工作間與其相鄰緩沖間的相對壓力逆轉,也應控制在1 min內[5]。如某大動物ABSL-3實驗室采用變送定排模式,其中某一核心工作間工況轉換(ⅡB2型生物安全柜開啟)時實測壓力記錄見表4。

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    從表4可以看到,在生物安全柜開啟過程中,均出現絕對和相對壓力逆轉,現場判斷主要由兩方面原因構成:送、排風閥同時動作,瞬時風量不匹配;控制風閥響應速度過慢,F場改變控制策略:快速啟動安全柜排風閥門,將送、排風閥同時動作改為送風VAV閥滯后動作,且減小VAV閥開大時執行幅度,緩慢補風。通過調試消除了相對壓力逆轉,但仍無法解決絕對壓力逆轉。最終將變風量閥更換為響應時間不超過1 s的快速閥,并對系統送排風控制系統重新進行了調試,才同時解決了相對和絕對壓力逆轉。2周后重測結果見表5。

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    實踐證明,采用快速響應閥門,并在此基礎上設置合理的閥門動作順序,可以在安全柜開啟和關閉的整個工況轉換過程中避免出現絕對和相對壓力逆轉。

    4.2  優化操作模式和設備性能

    在實際檢測中發現,良好的安全柜操作習慣對系統的穩定性也有一定影響。瞬間較大的風量波動要靠系統的復雜控制和閥門的快速響應去抵消,但如果整個啟閉動作在一個相對緩慢的過程中平穩進行,則即使在不太理想的現場條件下,壓力波動也可能被適當控制在一個可接受的范圍內。事實上,如果啟閉時間足夠的長,讓波動風量帶來的壓差影響慢慢被抵消,則系統穩定性將大大提高。這要求使用人員制定合理的操作規程,盡量避免快速拉起或關閉窗口玻璃而引起瞬時的風量巨變。

    現實中,安全柜保持部分排風量也是很多實驗室采用的穩定工況的做法之一。這一思路借鑒了大量的理化實驗室中有大排風要求的通風櫥的控制模式,即使在未使用ⅡB2型生物安全柜時也依然保持安全柜一定的排風量。規范強調了“不得只利用生物安全柜或其他負壓隔離裝置作為房間排風出口”[6],但并未規定當房間設有明確的排風口和排風量時,安全柜不能在非工作時段保持一定的排風量。事實上,目前國內外很多廠家均推出了保證最小排風量的生物安全柜,在關閉安全柜內自帶風機且拉下工作面窗口玻璃后,依然留有一定縫隙,允許部分甚至全部額定排風經系統排風機排出。此時,所謂的安全柜關閉狀態,其實質是安全柜自帶的頂部引風機關閉,保證不會有氣體外溢,整個安全柜可以理解為一個負壓排風通道。

    例如,北京某三級生物安全實驗室單人ⅡB2型生物安全柜排風量為1 500 m3/h,其在非開啟狀態(低態)時亦保持1 000 m3/h的排風量,則當安全柜開啟達到工作狀態時的波動風量僅為500 m3/h,相對于將生物安全柜從完全關閉狀態開啟所帶來的1 500 m3/h的波動風量要小得多,系統的穩定性大大增強。當然該方法也存在降低生物安全柜高效過濾器使用壽命的缺點。一個極端的做法是,永遠保持生物安全柜的開啟狀態,僅和實驗室系統同步啟閉,這樣就不存在工況轉換問題。只要系統運行是穩定的,所有和安全柜相關的環節就是穩定的。這種做法會大大增加安全柜內風機、高效過濾器等重要組件的消耗,縮減使用壽命,同時能耗永遠處于最高狀態。采用較高代價來回避問題,不是一個應該被提倡的解決思路。

    4.3  定送變排、安全柜排風等量切換模式探討

    通過對大量工程項目的實證分析可以看出,對于圍護結構嚴密性較高的實驗室而言,風量變化是壓力波動的最大因素。因此,在工況轉換時如何降低甚至消除波動風量并配以成熟穩定的控制程序,是保證ⅡB2型生物安全柜氣流穩定的最根本途徑。這里結合筆者團隊多年來設計和檢測的工程實踐經驗,提出定送變排、安全柜排風等量切換控制模式。該模式目前在國內生物安全實驗室已被少量采用并逐步被人們所接受,而通過電動閥控制,將房間排風和設備排風根據設備啟停做等量切換的方式實際上早已大量運用于制藥、軍工等有潔凈度、壓力要求的潔凈室領域,由于對應性強、控制清晰、方法簡單,具有較好的適用性。

    4.3.1  系統模式及控制思路

    該模式房間送風量恒定,房間排風量可變,但無論ⅡB2型生物安全柜是否開啟,與其相關聯的排風量(與房間排風口切換)恒定。

    因此,該模式房間排風由兩部分組成:

    1)ⅡB2型生物安全柜排風與房間內對應的同風量(調試獲得)高效排風口排風并聯接入同一支干管,經定風量閥接入總排風系統,此部分排風量恒定,且獨立于房間排風,根據安全柜的啟閉切換設在2個支管上的電動密閉閥;

    2)在各房間排風總管上設置變風量閥,房間內設置壓力傳感器,根據壓力傳感器實測值調節排風變風量閥開度,以滿足房間設定壓力的要求。系統原理如圖5所示。

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    ▲圖5  定送變排、安全柜排風等量切換模式系統原理示意圖

    當ⅡB2型生物安全柜開啟時,該生物安全柜排風管上的電動密閉閥開啟,與之對應的房間排風管上的電動密閉閥關閉;反之,當ⅡB2型生物安全柜關閉時,該生物安全柜排風管上的電動密閉閥關閉,與之對應的房間排風管上的電動密閉閥開啟。

    在實際調試及運行過程中,為了保證工況轉換時的絕對負壓效果,2個對應電動閥門的控制邏輯往往并非同時反向工作,而是先將關閉的閥門開啟,待2個閥門均處于完全開啟狀態后,再關閉另一個閥門。這樣即可避免閥門反向操作時可能帶來的瞬時負壓風量變小的情況。另外,為了保證房間絕對壓差和相對壓差的平衡和穩定,房間排風管設置變風量閥,根據房間的壓差要求來調節VAV閥開度,消除ⅡB2型生物安全柜啟閉時對房間壓差產生的微小波動,滿足核心工作間運行的壓差要求。

    圖6為筆者團隊設計的東北地區某三級生物安全實驗室項目中一間設有ⅡB2型生物安全柜的核心工作間排風接管圖。該項目的特點是實驗室房間小,但存在大量排風設備,為了保證壓力穩定,采取了定送變排、安全柜排風等量切換控制模式。

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    1 與安全柜切換的房間高效排風口  2 ⅡB2型生物安全柜  3 生物安全柜排風  4 定風量閥  5 接排風機組  6 變風量閥  7 房間高效排風口  8 切換電動閥

    ▲圖6  東北地區某三級生物安全實驗室排風接管平面圖(局部)

    如圖6所示,該項目單設2個與生物安全柜排風量相當的風口型高效過濾排風單元,并聯接入同一支干管,經定風量閥接入總排風系統,恒定排風。生物安全柜與其對應高效排風口通過電動啟閉閥進行等風量切換。系統穩定運行或生物安全柜啟閉切換過程中,房間壓力的波動通過設置在房間排風支干管上的變風量閥根據房間壓力傳感器進行調節。由于等量切換所產生的風量實際變化較。ɡ碚撋蠎摏]有變化),因此在實際調試過程中,大大降低了調試難度,保證了工況轉換時系統壓力的穩定。

    4.3.2  優勢分析

    由于在該種控制模式下ⅡB2型生物安全柜的啟閉對房間內的壓差只會產生很小的影響,因此具有較高的穩定性,對于面積較小但具有2臺及以上ⅡB2型生物安全柜的核心工作間更適用。整個系統在ⅡB2型生物安全柜啟閉切換過程中,都能保證核心工作間送風量和壓差梯度的平衡和穩定,避免生物安全柜開啟時的風量調節報警和房間壓力逆轉報警。

    與其他幾種控制模式相比,該控制模式雖然增加了高效排風口數量,但同時也減少了VAV閥的數量,并減小了VAV閥的型號規格,因此在經濟性上并沒有明顯變化。另外,閥門調節幅度較小,調整頻次較低,不論對VAV閥的投資還是對閥門的壽命都有益處。更主要的是能滿足核心工作間的各種工況切換要求。通過提高系統穩定性來降低不同工況轉換過程中的高風險概率,是實驗室用戶樂于接受的思路,畢竟對于高級別生物安全實驗室而言,安全平穩運行最重要。

    5 結論

    1)從工程實例來看,變送定排、定送變排、變送(雙穩態)變排模式均能通過檢測驗收,但也均有不足。送、排風閥的控制邏輯及其執行速度和響應時間不合理是工況轉換時出現壓力逆轉的主要原因和控制難點。

    2)合理預設閥門動作順序、采用快速響應閥門、保持安全柜一定的排風量及制定合理的安全柜操作規程等均可一定程度優化或解決安全柜啟閉時壓力逆轉問題。

    3)對于圍護結構嚴密性較高的實驗室而言,風量變化是造成壓力波動的最大因素。因此,在工況轉換時如何降低甚至消除波動風量并配以成熟穩定的控制程序,是保證ⅡB2型生物安全柜氣流穩定的最根本途徑,也是定送變排、安全柜排風等量切換模式的控制理念。

    4)定送變排、安全柜排風等量切換模式具有投資少、系統穩定等特點,特別是對于面積較小但具有多臺大排風設備的實驗室更具適用性,可通過深化研究和完善后進一步推廣。

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